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CCD信號(hào)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-04-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

(ChargeCoupledDevices)電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件。由于器件具有諸多優(yōu)點(diǎn):靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、空間自掃描等,使得近30年來(lái),器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展,特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。目前,CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械及微計(jì)算機(jī)為一體的綜合性技術(shù),在現(xiàn)代光子學(xué)、光電檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中成果累累。隨著CCD技術(shù)的迅猛發(fā)展,針對(duì)CCD之后的如何與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息通信就成為CCD應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題,而能夠針對(duì)CCD每一個(gè)象素進(jìn)行高速并實(shí)時(shí)的傳輸給計(jì)算機(jī)處理,將會(huì)大大的提高采集到的CCD的精度并解決實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題,這在CCD信號(hào)采集和處理領(lǐng)域都將有非常廣闊的前景。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/150883.htm

通用串行總線(UniversalSerialBus)是1995年由康柏、微軟、IBM,DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)。總線具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),非常適合CCD的數(shù)據(jù)采集。他有低速、全速和高速三種工作方式,即l.1版本中.的低速模式和全速模式,低速模式的傳輸速率為1.5Mb/s,支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備,如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等;全速模式的傳輸速率可以達(dá)到12Mb/s。,可以外接速率更高的外設(shè),適合用于線陣CCD的數(shù)據(jù)采集。在USB 2.0版本中,增加了一種高速模式,其數(shù)據(jù)傳輸率最高可以達(dá)到480Mb/s,完全可以滿足高速CCD數(shù)據(jù)采集的需要。

2 硬件組成

選用高速的AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換器,用于采集CCD信號(hào),配以先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)高速緩沖器,用于存儲(chǔ)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),并采用具有微控制器的USB芯片,從而通過(guò)USB接口將采集到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。原理框圖如圖1所示。

其中使用CPLD技術(shù)完成本采集系統(tǒng)的控制模塊。CPLD(可編程邏輯器件)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)字電路最為流行的方式,他可以將數(shù)字電路集成到一塊芯片上,大大減小了電路板的體積和可靠性,而且他的可編程性使得好的電路在升級(jí)和修改上變得非常簡(jiǎn)單和方便。

USB控制芯片選用Cypress公司EZ-USB系列的AN2131QC,片內(nèi)嵌有一個(gè)增強(qiáng)型的8051微控制器,并使用片內(nèi)RAM作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,使得芯片具有軟特性,允許客戶隨時(shí)不斷地設(shè)置和升級(jí)。內(nèi)部框圖如圖2所示。

EZ-USBAN2131QC符合USB規(guī)范1.1版本,有4種傳輸方式:控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸。其中同步傳輸又有2種方式,即普通讀寫(xiě)方式和快速讀寫(xiě)方式。在本系統(tǒng)中采用的是快速讀寫(xiě)方式,使得芯片可以在0.5 ms內(nèi)讀寫(xiě)1 kB的數(shù)據(jù)。

3 軟件

軟件主要分為3部分:USB芯片的固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)的用戶應(yīng)用程序。固件響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。USB-驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閁SB采集系統(tǒng)提供了應(yīng)用軟件與USB設(shè)備的接口,他的開(kāi)發(fā)使USB廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為可能。而應(yīng)用軟件則實(shí)現(xiàn)用戶與采集系統(tǒng)的交互,完成數(shù)據(jù)采集命令,進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3.1 固件程序代碼

由USB芯片集成的加強(qiáng)型8051單片機(jī)來(lái)處理,當(dāng)EZ-USB設(shè)備連接到USB口時(shí),主機(jī)進(jìn)行總線枚舉,根據(jù)設(shè)備ID先使用系統(tǒng)程序?qū)⒐碳螺d到芯片內(nèi)部,然后進(jìn)行重枚舉,固件作為用戶的功能設(shè)備開(kāi)始執(zhí)行。

Cypress公司提供固件程序框架,來(lái)完成控制傳輸和大部分的數(shù)據(jù)傳輸工作。本采集系統(tǒng)的固件程序就是基于此固件框架開(kāi)發(fā)的,使用KeilC進(jìn)行編譯。程序流程圖如圖3所示。

圖3中:TD_Init()為初始化全局變量;TD_Poll()為用戶功能;TD_Suspend()為響應(yīng)掛起事件;TD_Resume()為響應(yīng)外部喚醒事件。

EZ-USB使用8051的INT2來(lái)響應(yīng)21種USB中斷,自動(dòng)矢量(Autovector)機(jī)制幫助使8051內(nèi)核進(jìn)入相應(yīng)的ISR(Interrupt Service Routine中斷服務(wù)例程)。在初始化函數(shù)中加入使能EZ-USB的SOF(幀起始)中斷語(yǔ)句,可以開(kāi)始同步傳輸。每1 ms開(kāi)始發(fā)生SOF中斷,標(biāo)志幀的開(kāi)始。在SOFISR中從外部FIFO讀取一個(gè)包長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)據(jù)到端點(diǎn)緩沖區(qū)中。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB客戶驅(qū)動(dòng)程序是支持即插即用功能的標(biāo)準(zhǔn)WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動(dòng)程序,這是分層的驅(qū)動(dòng)程序模型,即設(shè)備驅(qū)動(dòng)被分成了若干層,典型地分成:高層驅(qū)動(dòng)程序、中間層驅(qū)動(dòng)程序、底層驅(qū)動(dòng)程序。每層驅(qū)動(dòng)再把I/O請(qǐng)求劃分成更簡(jiǎn)單的請(qǐng)求,以傳給更下層的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。最底層的驅(qū)動(dòng)程序在收到I/O請(qǐng)求后,通過(guò)硬件抽象層,與硬件發(fā)生作用,從而完成I/O請(qǐng)求工作。在這樣的架構(gòu)下,上面的驅(qū)動(dòng)層就不需要對(duì)每個(gè)操作系統(tǒng)都要開(kāi)發(fā)一遍了。USB客戶驅(qū)動(dòng)程序接收I/O管理器發(fā)來(lái)的IRP(I/ORequestPacket),構(gòu)造URB(USBRequest Block)傳遞給主控制驅(qū)動(dòng)程序接口USBDI。在USBDI的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程將大大簡(jiǎn)化,用戶不用關(guān)心IRP的類(lèi)型,而只需要在相應(yīng)的分發(fā)例程中通過(guò)構(gòu)造URB(USBRequestBlock)并將其通過(guò)USBDI發(fā)送下去就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的控制了。

開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工具目前廣泛應(yīng)用的主要有2類(lèi):


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